基于BIM+3D GIS的大坝安全监测管理系统设计与实现

贾玉豪，万 艳

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335）

0 引言

根据2018年全国水利发展统计公报数据，全国已建成各类水库98822座，其中大型水库736座，中型水库3954座[1]。随着水利水电行业信息化、数字化、智慧化的发展，在已建和在建的水库大坝中，高坝大库的大坝安全监测管理系统较为完善。但大坝安全监测中仍然存在可视化程度低、缺乏先进的监测技术和监测系统、监测数据综合处理程度低、自动化改造后人工监测和自动化监测结合程度差等问题[2～3]。而建筑信息模型（Building Information Modeling，简称BIM）是以三维模型为载体，汇集工程设计、施工、运营的全生命周期过程中的工程数据信息，提供三维可视化展示和信息协同共享[4]；三维地理信息系统（Three-dimensional Geographic Information System，简称3D GIS）通过叠加融合倾斜摄影数据、矢量数据、BIM数据等多源数据，提供更多的地形、建筑、设施等信息[5]。因此可以运用BIM、3D GIS等信息化、数字化技术开发能够直观、综合、有效管理水库大坝全生命周期安全监测信息的大坝安全监测管理系统。

1 大坝安全监测管理系统总体架构与功能设计

1.1 系统总体架构

大坝安全监测管理系统的总体架构见图1。

图1 系统整体架构

感知层:利用水电站现场的安全监测仪器设备、环境监测设备等，运用物联网技术，通过数据采集系统采集大坝的应力应变、温度、变形、渗流、环境量等数据，并传至数据层的监测数据库中。

数据层:进行BIM数据、3D GIS数据、监测数据、业务数据的数据管理。其中BIM模型和3D GIS地图采用文件型数据库存储，库中的倾斜摄影数据、BIM模型数据、地形数据进行切片存储；监测数据和业务数据采用关系型数据库存储，主要涵盖大坝基本信息、测点基本信息、仪器基本信息、安全监测数据、业务逻辑数据等。

服务层:通过GIS服务器、BIM服务器和数据库服务器将数据层中的BIM模型和GIS地图的切片数据、安全监测数等发布为三维服务、地理数据服务、地图服务、数据服务等，提供接口供业务层调用。

业务层:实现大坝安全监测管理系统的业务功能，利用前端开发技术并基于WebGL，实现水电站大坝的测点管理、仪器管理、图层管理、三维视图、场景联动、监测数据查询、评判指标设置、监测数据统计分析等功能。

应用层:将业务功能通过网页端进行展现。

1.2 系统功能设计

大坝安全监测管理系统建设的目的是进行监测数据分析和三维场景数据管理，从而了解大坝的运行性态和安全状况。主要需求是对大坝各部位、各类型的监测数据查询、分析和管理；对大坝、溢洪道等建筑物、仪器设备、测点位置进行三维展示和管理；并根据监测数据分析结果，进行三维场景的联动。依据功能需求，本系统功能主要包括监测数据查询、评判指标设置、监测数据统计、测点管理、仪器管理、图层管理和三维视图和场景联动等。

2 三维场景构建和安全监测数据接入

利用BIM技术构建大坝、溢洪道、高边坡、监测仪器等的三维模型并赋予模型对应的属性，形成三维信息模型；利用3D GIS技术构建倾斜摄影、三维地形、专题图等GIS应用场景。通过GIS平台，融合BIM模型和3D GIS场景，制作三维场景，发布三维服务、数据服务、地图服务等。同时接入安全监测数据，对监测数据整合、分析、评判，并提供监测数据调用接口。

2.1 三维场景构建

本系统中需要建立的BIM模型主要包括大坝、溢洪道、高边坡、放空洞、监测仪器等。根据设计图、施工图、钻孔图等设计资料建立BIM模型，通过.dgnlib文件构建安全监测仪器库，在构建测点时，复用仪器模型模板，设置唯一ID值，完成对测点监测仪器的绑定。最后通过模型参考、合并，完成整个BIM应用模型的构建，见图2。

图2 引张线监测仪器

本系统中主要通过三维地形和倾斜摄影模型构建3D GIS场景，通过标签和单值专题图实现对大坝安全监测数据的空间分析。在构建3D GIS场景时，通过对地形图和倾斜摄影模型开挖、压平处理，使得3D GIS场景符合当下的水电站BIM模型提供周边宏观的地理环境要素，并提供空间查询和空间分析功能。

三维场景建立主要进行BIM与3D GIS融合。通过利用数据导出插件，将BIM模型顶点信息和属性数据按照图层分类导入GIS平台，用其管理BIM模型的三维属性信息。通过构建的三维场景，将分散在不同位置的大坝、溢洪道、高边坡等BIM模型图层与三维地形、倾斜摄影、专题图等GIS图层关联在一起，将BIM模型填充到预留位置，实现BIM与3D GIS的融合，完成三维场景的建立，见图3。

图3 BIM模型融合倾斜摄影

2.2 监测数据的接入

大坝、高边坡等部位的监测数据采集和存储主要是通过安全监测数据采集系统实现的。通过数据接入程序将现场的安全监测数据库与本系统的关系型监测数据库相连，并进行测点关系匹配，包括测点对应、测点监测分量对应、数据传输频率设置等，以预定的频率进行监测数据的传输，实现监测数据的接入。在数据接入程序进行数据传输的同时，本系统后台服务器将依据测点的计算公式、数据评判准则对数据进行整合、分析、评判，完成数据入库时的计算、校验、审核和存储。

3 大坝安全监测管理系统实现

本系统采用B/S架构，应用和数据服务器启用微软公司的IIS8.0，数据库服务器采用MySQL，界面设计采用HTML5配合CSS3样式表，前台控制采用JQuery框架，前后台交互使用Ajax方式，后台业务逻辑采用Java语言实现。

3.1 系统服务层实施

本系统服务层建设实施是通过编写API接口向业务层提供数据服务。主要分为提供三维场景的数据服务和提供安全监测数据的数据服务。

三维场景的数据服务主要包括三维服务、模型数据服务和地图服务。通过GIS平台的iServer服务器将构建好的三维场景发布为REST格式的地图服务、数据服务、三维服务。实现地图的访问、查询，图层控制、浏览，地图空间、属性查询以及模型数据、地理环境要素的获取和编辑功能。

安全监测数据的数据服务主要是提供监测数据的增、删、改、查服务。在完成厂站数据库的接入后，构建本系统的监测数据库，并完成大坝基本信息、测点基本信息、仪器基本信息的录入。通过监测数据库，使用Java语言基于SSM框架，开发Restful风格的后端接口服务器。实现根据pointID、codeName、writeTime、dataTime等关键字段的单个查询、分页查询和模糊查询等数据查询接口。

3.2 系统主要实现功能

本系统主要通过测点管理、仪器管理、图层管理、监测数据查询、评判指标设置、监测数据统计分析等功能，实现对大坝安全监测情况的空间位置展示和管理、监测数据查询和分析，为评价大坝运行性态提供辅助决策和技术支持。

（1）测点管理

图4 测点管理

测点管理主要对测点的基本信息、埋设信息、计算参数进行查询、维护和三维展示。通过调用服务层的API接口，获取数据服务和三维服务，在web界面上展示了按照测量目的分类的导航列表，包括变形、渗流、应力应变及温度、环境量、控制网、自定义六个分类。通过点击对应子类条目，展示测点名称、状态、频次、埋设部位、日期、高程、桩号、计算基准值等测点信息，并能直接修改测点信息和添加此类型的测点；同时在三维场景中对点选的分类或者单个测点进行高亮显示，见图4。

（2）仪器管理

仪器管理主要对监测仪器基本信息、计算公式进行查询、维护和三维展示。通过调用服务层的API接口，获取数据服务和三维服务，在web界面上展示了按照仪器类型分类的导航列表，包括差阻式、振弦式、光纤式、标准量式、水情式、电容式等九个分类。通过点击对应子类条目，展示监测仪器的名称、监测分量、单位、值域、计算参数、计算公式等监测仪器信息，并能直接修改监测仪器信息和添加监测仪器；同时在三维场景中对点选的监测仪器进行大样展示。

（3）图层管理

图层管理主要对三维场景中的图层进行控制。通过调用iServer发布的三维服务和数据服务等，获取对应的服务图层，实现对图层的显示、透明度、选中等功能。在web界面上展示了图层列表，包括地图切换、地形图、倾斜摄影、大坝坝体、面板、溢洪道、高边坡、监测仪器、放空洞九个图层分类。通过点击对应的图层显示、透明度控制按钮，实现了对各个图层的控制功能。能够快速浏览整个水利枢纽的整体布置、详细查看各种水工建筑物的内部、局部信息，以及安全监测测点设置、仪器埋设位置信息。

（4）监测数据查询

监测数据查询主要对安全监测数据和异常数据进行查询和输出。通过调用服务层的API接口，获取数据服务和三维服务，在web界面上沿用测点管理的导航列表，通过点击对应子类条目，默认展示按时间排序、正常状态的自动化数据，包括测点名称、时间、原始量、中间量和结果量，也可修改查询条件后查询，并在查询数据的同时显示测值过程线和参考环境量曲线。同时通过切换查询标签，实现了异常数据查询功能，通过设置查询日期，可以快速查询出异常数据的测点名称、异常分量、仪器类型和时间等信息，也可对异常数据进行备注和隐藏。并能在三维场景中对点选的测点进行高亮显示。另外提供了查询结果的数据导出功能，将数据导出为表格。

（5）评判指标设置

评判指标设置主要对监测数据异常状态值指标进行设置。在web界面上沿用测点管理的导航列表，点击对应子类条目，通过调用服务层的API接口，获取并展示已设置的评判指标，包括测点名称、评判分量、异常值上限、异常值下线、严重异常值上线、严重异常值下线等信息，同时可以修改表中异常值指标。完成指标设置后，评判监测数据是否异常，并根据评判结果对监测数据进行标记，异常数据可以通过监测数据查询界面进行查看和处理。

4 结论

BIM+3D GIS的融合满足了水利枢纽工程对地理环境要素和三维信息模型在宏观和微观领域空间展示和空间分析的需求，针对大坝安全监测中对监测结果的空间展示和数据分析需求，本文设计与实现了基于BIM+3D GIS的大坝安全监测管理系统。

1）系统能够对大坝、溢洪道、高边坡、监测仪器等的信息模型三维空间展示，将模型信息与仪器设备属性关联，实现整个水电站数字化集成。

2）系统能够通过数字化模型，展示变形、渗流、渗压、温度、应力应变等监测项目的空间位置和成果，提高了监测结果可视化程度。

然而，由于缺少地质勘探数据，数字水电站缺少地质模型，监测仪器的增加、更换也不便利，系统需要进一步完善。